Сегодня 21 августа 2017
18+
E3 2017
Аналитика

Четыре компьютера Конрада Цузе

Автор: Иван Васильев
Сегодня, когда персональные компьютеры штампуют миллионами единиц ежегодно, трудно вообразить себе, что еще каких-то 60-70 лет назад вычислительные машины собирались вручную единичными энтузиастами, в условиях, далеких от фабричных. 30-е и 40-е годы прошлого века были "пионерной" вехой в истории создания компьютеров. Это было удивительное время, которое предопределило не только развитие и рост вычислительной техники в дальнейшем. Оно также ознаменовало собой начало тотальной зависимости человека от компьютеров практически во всех сферах его жизнедеятельности, начало компьютеризации, цифровых способов вычисления и хранения данных и т.д.
Конрад Цузе
Наиболее быстрые и важные подвижки в развитии науки и техники происходят благодаря ВПК, то бишь, военно-промышленному комплексу. Именно здесь обычно концентрируются громадные человеческие, денежные и иные ресурсы. По этой причине армии нужны самые высокотехнологичные орудия убийства, разработка которых требует не только затрат, но также научно-технических инноваций, открытий. Вряд ли развитие атомной энергетики шло такими темпами, не будь у США и СССР настоящей гонки по созданию атомной бомбы. В Первой Мировой войне применялась и артиллерия, и бронетанковые войска, и авиация, однако сложные расчеты (баллистические, например) ещё не требовались, ввиду явной "недоразвитости" военной техники, науки и промышленности. А в 30-х годах прошлого века военным наиболее развитых государств мира потребовались машины, которые могли быстро и точно рассчитывать самые разнообразные операции. Справляться с рутинной работой, нарастающей, словно снежный ком, людям становилось все сложнее и сложнее, отчего у наиболее одаренных представителей рода человеческого появилась идея переложить скучное занятие на "механические плечи" вычислительной машины. Словом, предвоенная ситуация в Европе середины 30-х годов ХХ века буквально подталкивала технических гениев в генеральские объятья. Не смог удержаться от подобного "братания" и Конрад Цузе (Konrad Zuse), выдающийся немецкий конструктор и мыслитель. Цузе родился 22 июня 1910 г. в Берлине, но вырос на севере Саксонии. Изобретать юный Конрад начал с раннего возраста. Общеизвестен такой факт — в школе им был представлен проект действующей машины для размена монет. Так что неудивительно, что в 1935 г. Цузе успешно закончил Высшую техническую школу Берлин-Шарлоттенбург и вышел оттуда с дипломом инженера. Затем судьба привела его в авиационную фабрику "Хеншель" в городе Дессау. Здесь и пересеклись интересы Цузе и военных. Поначалу — весьма своеобразно. На фабрике новоиспеченный инженер проработал около года, а затем положил на стол начальству заявление об уходе. Но ушел Цузе затем, чтобы заняться созданием... программируемой счетной машины. Еще в студенческие годы (начиная примерно с 1934 г.) он стал задумываться над созданием машины для вычислений. Окончательный импульс к созданию такой машины дали каждодневные рутинные расчеты, которыми приходилось заниматься Конраду на работе. В частности, он корпел над расчетами нагрузки, возникающей при вибрации крыла. Но вычислительная программируемая машина — это не машина для размена монет. Конрад Цузе понимал всю серьезность дела, за которое он взялся, а потому сразу оборудовал целую комнату в доме родителей под свою "мастерскую". Родители не разделяли сыновнего энтузиазма, однако, надо отдать им должное, оказывали Конраду всяческую помощь. Таким образом, денежные средства на постройку машины были исключительно частными. Начало работ над первой вычислительной программируемой машиной Цузе относится к 1936 г. Характерной особенностью этой машины являлось то, что для переключения использовались не реле, а металлические пластины. Упорству Цузе можно только позавидовать, ведь эти пластины количеством два десятка тысяч (!) были вырезаны лобзиком, впрочем, не без помощи ближайших друзей. Несмотря на все сложности, в 1938 году Цузе смог продемонстрировать родителям и друзьям программируемую цифровую машину. Поначалу она носила название V-1 (Versuchsmodell-1, то есть "Опытная модель"), позднее, названия всех компьютеров Конрада стали начинаться с буквы Z (Z1, Z2, Z3 и т.д. — по начальной букве фамилии изобретателя).
Z1 у родителей Конрада Цузе, 1936 г.
Компьютер Z1 имел большинство черт, присущих современному ПК. Это и двоичный код (Цузе дальновидно отказался от десятичной системы исчисления)1, и отдельный блок памяти, и возможность ввода данных с консоли, и обработка чисел с плавающей запятой. В качестве носителя для ввода данных могла использоваться перфокарта, которую Цузе приспособился делать из 35-миллиметровой кинопленки, пробивая в ней отверстия. У Z1 был один серьезный недостаток — ненадежность вычислений. Модель действительно являлась экспериментальной, хотя могла использоваться для научных вычислений. И, конечно, не была продана. Между прочим, для ранних компьютеров (вплоть до начала бума IBM PC-совместимых компьютеров в начале 80-х годов ХХ в.) показатель реализации был очень важен и служил, своего рода, индикатором успеха. Однако Z1 не суждено было остаться даже в единственном оригинальном экземпляре. В 1943 году компьютер был уничтожен после авиабомбежки вместе со всеми конструкторскими чертежами и схемами2.

Основные характеристики Z1

Реализация
Тонкие металлические пластины
Частота
1 Гц
Вычислительный блок
Обработка чисел с плавающей запятой, длина машинного слова — 22 бита
Средняя скорость вычислений
Умножение — 5 секунд
Ввод данных
Клавиатура, устройство считывания с перфоленты
Вывод данных
Ламповая панель (десятичное представление)
Память
64 слова по 22 бита
Вес
Около 500 кг
К сожалению, Конрад Цузе не избежал отправки в расположение военных частей — фашистская Германия развязала Вторую Мировую войну. Однако в роли солдата-пехотинца Цузе пришлось побыть недолго, не более полугода, изобретателю удалось убедить военное руководство, что больше пользы он принесет не на поле брани, а за постройкой нового компьютера (известного теперь как Z2). Институт аэродинамических исследований Третьего рейха даже начал финансирование работы Цузе; в 1940 году тот смог открыть небольшую компанию "Zuse Apparatebau" по созданию компьютеров, которая просуществовала до конца войны. Неточность и ненадежность Z1 (из-за механической конструктивной сложности) подтолкнула Цузе обратиться к использованию электромеханических переключателей — реле, для большей точности в вычислениях (ограниченный в средствах, Цузе приобретал в телефонных компаниях списанные реле). Память Z2 по-прежнему состояла из металлических пластин, зато вычислительный блок — из 800 реле. К весне 1939 года Z2 был готов. Дальше совершенствовать это "поколение" компьютеров не имело смысла, Цузе уже видел прообраз будущей машины, которая была бы целиком релейной и служила не только демонстрационной моделью.
Конрад Цузе рядом с восстановленным Z1

Основные характеристики Z2

Реализация
Тонкие металлические пластины, реле
Частота
3 Гц
Вычислительный блок
Обработка чисел с плавающей запятой, длина машинного слова — 16 бит
Средняя скорость вычислений
Умножение — 5 секунд
Ввод данных
Клавиатура, устройство считывания с перфоленты
Память
16 слов по 16 бит
Вес
Около 500 кг
12 мая 1941 года в Берлине Цузе представил собравшимся ученым знаменитый компьютер Z3. Успех демонстрации был огромен. Не случайно именно Z3 считается первым работоспособным, свободно программируемым компьютером в мире (его "конкуренты", Mark I и ENIAC появились после 1943 года). Правда, в памяти Z3 программы не хранил, для этого память из 64 слов была мала, да Цузе и не стремился к этому. Имелся недостаток — отсутствие реализации условного перехода.
Z3. Первый работоспособный и свободно программируемый компьютер в мире
Однако главная проблема заключалась в том, что высшие военные чины Вермахта не сомневались в быстрой победе германского оружия, а потому придавали мало значения компьютерам. Показателен такой факт. Однажды Цузе и его друг Гельмут Шрейер, инженер по специальности, обратились за помощью к генералам, чтобы те помогли с финансированием ЭВМ, созданной не на реле, а на вакуумных лампах (идея Шрейера). Военные, услышав, что на постройку такого компьютера уйдет около двух лет, отвергли идею Цузе-Шрейере, заявив, что войну Германия выиграет гораздо раньше, обойдясь без помощи новых электронных вычислительных средств. Безусловно, после нападения Гитлера на СССР фашистской Германии не помогли бы никакие компьютеры, но приведенный случай наглядно показывает (как и направление Цузе на фронт), что немецкое руководство не понимало всей перспективности компьютеростроения. В этом плане показательна работа над "оружием возмездия" ("Фау"), которая то форсировалась, то замедлялась в зависимости от успехов/неуспехов на военных фронтах.

Основные характеристики Z3

Реализация
Реле (600 — блок вычислений, 1600 — блок памяти)
Частота
5,33 Гц
Вычислительный блок
Обработка чисел с плавающей запятой, длина машинного слова — 22 бита
Средняя скорость вычислений
Умножение, деление — 3 секунды, сложение — 0,7 секунд
Ввод данных
Клавиатура, устройство считывания с перфоленты
Вывод данных
Ламповая панель (десятичное представление)
Память
64 слова по 22 бита
Вес
Около 1000 кг
Вплоть до 1944 года Z3 успешно использовали для авиационных расчетов, когда опять же после бомбардировки, компьютер был уничтожен3. Несгибаемый Конрад Цузе берется за создание четвертого компьютера — Z4.
 Z4 в процессе вычислений
На долю Z4, в отличие от предшественников, выпала завидная судьба. Компания Цузе готовила Z4 для серийного производства, однако страх перед бомбежками вынудил не окончательно отлаженный компьютер вывезти из Берлина. Первоначально его планировали спрятать в подземной фабрике в Нордхаузене, где собирались ракеты "Фау". Но, когда Цузе, спустившись в ужасное подземелье, увидел тысячи заключенных, работавших (и погибавших) там, в нечеловеческих условиях, он с ужасом отверг это место. Так Z4 повезли в баварские Альпы, где в местечке Оберох Цузе повстречался с еще одним выдающимся немецким изобретателем и конструктором — Вернером фон Брауном, прославившимся созданием первой боевой баллистической ракеты (A-4/V-2)4. К бодро шагавшему в плен фон Брауну Цузе не примкнул, а, пройдя еще 20 км, спрятал компьютер в разобранном виде в сарае альпийского отеля местечка Хинтерштайн. Послевоенные годы были тяжелым испытанием для Цузе, которому пришлось практически заново собирать Z4. Для восстановления механической памяти брались железные консервные банки, оставленные войсками антигитлеровской коалиции. Чтобы как-то выжить, Цузе задействовал свой второй талант — художника. Он делал гравюры на дереве и продавал их местным фермерам и американским солдатам. В 1948 году восстановленный Z4 был на лошадях перевезен в местечко Хопферау, где Цузе посетил профессор Штифель из Высшей технической школы в Цюрихе (ETHZ). До сих пор не совсем ясно, откуда профессор проведал про Z4. Эта встреча стала поворотным пунктом для дальнейшей жизни Конрада Цузе. На глазах у Штифеля он написал программу, сделал перфокарту и ввел данные в Z4. Полученный результат был правильным. Воодушевленный этим, Штифель предложил арендовать Z4. Чтобы подписать контракт с ETHZ, Цузе зарегистрировал компанию "Zuse KG". Надо сказать, что выбора у цюрихского профессора не было. На тот момент он мог рассчитывать лишь на Z4, поскольку американские компьютеры заполучить было невозможно, а машина Цузе работала надежно (даже несмотря на память из металлических пластин), имела специальный блок для создания программ и ряд других плюсов.

Основные характеристики Z4

Реализация
Реле, память — металлические пластины
Частота
30 Гц
Вычислительный блок
Обработка чисел с плавающей запятой, длина машинного слова — 32 бита
Средняя скорость вычислений
11 операций умножения в секунду
Ввод данных
Десятичная клавиатура, устройство считывания с перфоленты
Вывод данных
Печатная машинка марки "Mercedes"
Память
64 слова по 22 бита
Вес
Около 1000 кг
До 1954 года Z4 работал в Цюрихе, затем, до 1959 года — во Франции (Институт "Franco-Allemand des Recherches de St. Louis"). Подсчитано, что за пять лет работы (1950-1955) Z4 рассчитал около 100 различных проектов. Стоит отметить, что в начале 50-х годов прошлого века на территории Европы работали всего два компьютера: Z4 Конрада Цузе и МЭСМ Сергея Лебедева (СССР)5. Среди характерных черт Z4 стоит остановиться на трех:
  1. Z4 имел устройство для подготовки программы. Программу Цузе рассматривал (и называл) как план, отсюда и немецкое название этого блока компьютера — "Planfertigungteil" (дословно — "устройство подготовки планов"). С помощью названного устройства было легко составлять, редактировать, копировать программу на перфоленте и, сверх того, за считанные часы изучить программирование на Z4.
  2. Z4 умел избегать исчисления неверных результатов. Как и Z3, он обрабатывал арифметические исключения. Например, если числа выходят за диапазон 10^-20 < x < 10^20, то машина имеет область вычислений, в которой результат будет, скажем, таким: - Очень большое + очень большое = очень большое - Очень большое - очень большое = неопределенное - 0/0 = неопределенное Если неопределенное значение сочетается с числом, результат будет неопределенным. Используя этот метод, Z4 может избегать вычислений неправильных чисел — это позволяло оставлять компьютер в "одиночестве" и днем, и ночью без человеческого контроля. По сути, это математические правила обращения с 0 и бесконечностями, хотя, стоит добавить, в математике уточняется, что при делении нуля на нуль любое число может удовлетворять определению частного.
  3. Z4 обладал двумя считывателями данных с перфолент (в оригинальной версии планировалось до шести таких считывателей).
Начав с коллектива в пять человек, в 1949 году, со временем, к в 1964 году, компания Цузе выросла до персонала из 1200 рабочих. К 1967 году Zuse KG реализовала 251 собранный компьютер, однако недостаток денежных средств вынудил Цузе влиться в состав более преуспевающей немецкой компании "Siemens AG". В последней Цузе получил должность консультанта. Однако на этом удивительная и плодотворная жизнь Конрада Цузе не заканчивается. На счету великого немца числятся также параллельный компьютер (правда, не построенный), графомат (плоттер, управляемый перфолентой), алгоритмический язык Plankalkul и книга "Вычислительное пространство". Но об этом и многом другом мы расскажем в следующий раз.

Примечания

  1. Цузе опередил американского математика Джона фон Неймана, который в отчете "Предварительное обсуждение логического конструирования электронного вычислительного устройства" (июнь 1946 г.) в качестве одного из главных составляющих ЭВМ назвал двоичную систему исчисления. Цузе работал в своеобразном "творческом вакууме", по собственному признанию, он даже не слышал о "разностной машине" Чарльза Бэббиджа. Но выбор двоичной системы исчисления, происходящей из логической алгебры английского математика ХIХ в. Джорджа Буля, дал возможность построить ЭВМ из устройств-переключателей, имеющих всего два (а не десять) положения — "1" ("истинно") и "0" ("ложно").
  2. Благодаря неустанному труду Конрада Цузе мы имеем счастье и сегодня лицезреть Z1. В 1986 г. Цузе решил восстановить свой первый компьютер, что ему (с помощью трех помощников) удалось сделать в 1989 г. Вторично собранный, точно птица Феникс, Z1 находится в музее "Technik Museum Berlin-Kreuzberg" (Берлин).
  3. Оригинальных снимков Z3 не сохранилось. Компьютер был воссоздан в начале 60-х, показан в 1964 г. на выставке "Interdata Industry" в Мюнхене. Сейчас он хранится в мюнхенском музее "Deutsche Museum".
  4. A-4 ("Фау-2") реально были применены лишь в конце войны, когда с сентября 1944 г. по март 1945 г. они падали смертоносным грузом на Британию и континентальную Европу. Летом 1944-го на Лондон наводили ужас крылатые ракеты "Фау-1". Оба типа ракет, с подачи Геббельса, стали называться "оружием возмездия" ("Vergeltungswaffee") после того, как английские бомбардировщики стали до основания разрушать немецкие города (Любек, Кёльн и др.). Сходство с названием этих ракет послужило причиной того, что Конрад Цузе переименовал свои компьютеры. Любопытно, что такое сходство (Z4 первоначально сокращенно назывался V4) подвигло союзные войска на поиск "новых" ракет Третьего рейха, однако и британцы, и американцы, увидевшие, наконец, V4, были сильно удивлены тому факту, что вместо "оружия возмездия" их взору предстала внушительная груда железок.
  5. Пробный запуск МЭСМ датирован 6 ноября 1950 г.; полноценную работу машина начала 25 декабря 1951 г.

 
 
Если вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER.
Материалы по теме
⇣ Комментарии